基于發(fā)動機廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的研究

1、基于發(fā)動機廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的研究1. 引言1.1汽車業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及汽車的有害排放隨著汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，我國從2009年開始連續(xù)兩年超過美國，成為全球第一大汽車產(chǎn)銷國，據(jù)統(tǒng)計，全國機動車保有量達到2.19億輛。其中，摩托車占54.12%，約為1.19億輛。汽車保有量占機動車總量的45.88%，剛剛超過1億輛。然而，在這個龐大的數(shù)據(jù)后面，汽車給我們帶來的負面影響也是非常震驚的，尤其是汽車排放出大量尾氣，這些排放物流動性大，數(shù)量多，集中在居民稠密區(qū)，而且是低空排放，對人體的危害非常大。由此造成的環(huán)境污染也日益嚴重，汽車排放污染物己經(jīng)成為城市大氣污染的主要來源。有資料表明，國內一些大城市的汽車排放

2、污染物對多項大氣污染的指標貢獻率己經(jīng)超過60%，直接危害城市居民的身體健康。控制機動車有害物的排放問題已刻不容緩。在汽車排氣中主要有害物質包括:一氧化碳(CO)、未燃碳氫化合物(HC)、醛類化合物、氮氧化物(Nox)及微粒物(PM)等多種有害成分。空氣中CO的含量超過0.1%，就會導致人體中毒;微粒吸入人的肺葉會造成肺組織的摩擦損傷，微粒碳核上吸收的其它有毒物質也會對人體造成傷害。氮氧化物包括No、No2、N2o3、N2o5等，總稱NOx。Nox可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統(tǒng)疾病。研究指出長期吸入氮氧化物可能會導致肺部構造改變。而且，以一氧化氮和二氧化氮為主的氮氧化物是形成光化學煙

3、霧和酸雨的一個重要原因，光化學煙霧具有特殊氣味，刺激眼睛，傷害植物，并能使大氣能見度降低,另外,氮氧化物與空氣中的水反應生成的硝酸和亞硝酸是酸雨的成分，大氣中的氮氧化物主要源于石油燃料的燃燒和植物體的焚燒，以及農(nóng)田土壤和動物排泄物中含氮化合物的轉化。為了有效地控制汽車尾氣的排放，減少汽車尾氣排放所造成的危害，世界許多國家和地區(qū)都先后制定了限制汽車廢氣排放的限量值，從60年代開始，美國、日本、西歐等工業(yè)化國家對汽車排氣的有害排放物以法令的形式規(guī)定了排放標準，并逐漸形成三個排放法規(guī)體系，從而直接促進了對低污染車用發(fā)動機和排氣凈化措施的研究。1.2國外廢氣再循環(huán)技術的研究與使用情況廢氣再循環(huán)在國外的

4、汽油車上己經(jīng)作為成熟技術而廣泛使用，己經(jīng)形成了一套比較系統(tǒng)的理論，并成功研制出了一系列廢氣再循環(huán)裝置。廢氣再循環(huán)控制閥最初只是純氣動式，且不帶冷卻循環(huán)，后來發(fā)展了帶冷卻循環(huán)的廢氣再循環(huán)，再后來與電控技術相結合，轉而開發(fā)出帶閉環(huán)控制的氣電式或電磁式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。國外為了增大廢氣再循環(huán)得以實現(xiàn)的可能范圍，人們采取了種種辦法，如在進排氣管裝節(jié)流閥使排氣壓力高于進氣壓力;在進氣管設置一個文曲利管(Venturi pipe)利用它的局部壓差吸引廢氣，而吸入喉管后擴壓部分可以使壓力適當恢復，保證高負荷時所需要的壓力差。這些方法擴大了廢氣再循環(huán)的工作范圍，而后者優(yōu)于前者。荷蘭TNO研究所提出的廢氣再循環(huán)系

5、統(tǒng)是文曲利管與進氣管串聯(lián)方式，廢氣再循環(huán)率的調節(jié)依靠廢氣再循環(huán)管路的流量控制閥。如圖文曲管結構圖1-1，荷蘭TNO設計的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)圖1-2，為了便于調節(jié)不同工況時的廢氣再循環(huán)率和兼顧高低工況的流動性。AVL研究所研究出文曲利管與進氣管并聯(lián)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，在進氣管上裝有一個蝶形閥，可以用于調節(jié)流經(jīng)文曲利管的流量，從而調節(jié)廢氣再循環(huán)率。文曲利管的并聯(lián)布置有利于兼顧高低工況的流動特性，高工況流量大時，可開大蝶閥，讓大部分氣體流經(jīng)進氣管;少部分氣體流經(jīng)文曲利管;低工況小流量時，可關小蝶閥，讓大部分氣體流經(jīng)文曲利管。AVL研究所的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖1-3所示如圖文曲管結構圖1-1 荷蘭TNO設計的

6、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)圖1-2AVL研究所的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖1-3所示1.3我國廢氣再循環(huán)技術的發(fā)展現(xiàn)狀我國汽車的發(fā)展起步晚,遲于發(fā)達國家將近有半個多世紀,對此項技術的研究及產(chǎn)品開發(fā)更加落后，自己的技術生產(chǎn)能力不高。尤其是在冷卻的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究上，對其精確控制，使廢氣再循環(huán)與內燃機進行合理匹配大多是在理論上的探討，也有不少科研單位正在進行研究，但是沒有抵得上國外的成熟產(chǎn)品，需要我們進一步的進行研究和實踐，不斷促進廢氣再循環(huán)冷卻控制技術的發(fā)展，目前我國車用柴油機排放控制技術大致借鑒于國外的水平，國外的核心技術不能仿照，不能復制，只能購買他們的產(chǎn)品，自己國內的技術還需要相當長的時間進行研究。1.4

7、課題研究的目的和意義本課題旨在研制開發(fā)一種能根據(jù)發(fā)動機具體工況調節(jié)外部廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)，使廢氣再循環(huán)廢氣溫度在發(fā)動機的每種工況下都能自動調節(jié)到既有較低的Nox、排放又具有良好的綜合性能的溫度值。從而更好地實現(xiàn)冷卻廢氣再循環(huán)的智能控制和精確控制打好基礎。減少汽車尾氣中Nox的含量，從而減少汽車排放污染。1.5課題內容及研究方法1.5.1課題任務：論述了降低發(fā)動機排放的冷卻廢氣再循環(huán)(廢氣再循環(huán))技術。由于發(fā)動機在不同的工況下既能有較好的動力性又能有較好的排放所要求的廢氣再循環(huán)溫度不同，所以有必要對實際運行時的廢氣再循環(huán)溫度進行控制，以滿足發(fā)動機不同工況的要求，使其在動力性、Nox和其它有害

8、氣體的排放上達到最佳的綜合效果。1.5.2重點研究內容：1、在選定型號的發(fā)動機上做各種工況的廢氣再循環(huán)試驗，通過比較找出各工況廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低NO、排放的規(guī)律，也就是找出在各種工況下，既能有效降低NO、的排放又能使廢氣再循環(huán)對發(fā)動機負面影響最小的廢氣再循環(huán)溫度范圍。設計廢氣再循環(huán)總體布局和廢氣再循環(huán)冷卻器，設計廢氣再循環(huán)冷卻的實現(xiàn)方式。2、根據(jù)要實現(xiàn)的功能和理論分析確定傳感器(溫度、轉速、負荷等)類型和單片機的型號，選擇廢氣再循環(huán)閥的類型和電動水泵的型號。3、合理設計廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的控制電路，設計電路的軟件程序。1.5.3實現(xiàn)途徑:1、通過進一步理論聯(lián)系實踐，通過實踐確定最終方案。

9、2、利用現(xiàn)有條件，在選用的汽油機上安裝廢氣再循環(huán)線路進行實驗，改變發(fā)動機的轉速與負荷，使用五組份排氣分析儀測試廢氣再循環(huán)廢氣溫度不同時NOx的排放量，找出廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低發(fā)動機NOx、排放的規(guī)律，完成數(shù)據(jù)搜集。3、根據(jù)找出的廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低Nox排放的規(guī)律，利用單片機和輔助電路通過控制廢氣再循環(huán)冷卻系電動水泵的轉速，進而控制冷卻水流量，調節(jié)冷卻溫度，初步實現(xiàn)對廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的自動控制。2.廢氣再循環(huán)的系統(tǒng)設計計算 2.1廢氣再循環(huán)的冷卻系統(tǒng)的總體設計該廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設計思路是把廢氣再循環(huán)冷卻系作為發(fā)動機的一個分支,介質水由水泵驅動,進行強制循環(huán)流動。并采用電控單元EC

10、U自動控制水泵轉速,從而通過調整冷卻水循環(huán)量的方法來控制廢氣再循環(huán)廢氣的溫度。冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻系統(tǒng)原理圖2-21電控單元2文曲利管3旁通閥4發(fā)動機5控制閥6冷卻器7廢氣溫度傳感器8伺服電動機9單向閥10散熱器 圖中廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)利用廢氣再循環(huán)閥5后面的冷卻器6對廢氣進行單獨冷卻。廢氣再循環(huán)冷卻水引自發(fā)動機散熱器10的出水口，冷卻水經(jīng)過廢氣再循環(huán)冷卻器再流回發(fā)動機散熱器，由于從發(fā)動機散熱器流出的水是冷卻系統(tǒng)中溫度最低的，可以提高冷卻效率。直流伺服電動水泵8裝配在廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻水入口管路上，用來控制水的循環(huán)。單向閥9用來減少因冷卻液回流而對廢氣再循環(huán)冷卻帶來的不利影響。這種布局對原冷卻

11、系統(tǒng)改動小，結構比較簡單，易于設計研究。2.2冷卻系的選型與設計 2.2.1冷卻系的選型廢氣再循環(huán)冷卻器是一種熱交換器，選型的標準很多，最基本的涉及待處理流體的類型、操作壓力、溫度、熱負荷和費用等。用于對廢氣進行冷卻的廢氣再循環(huán)冷卻器不僅要滿足熱交換器的基本要求，還要滿足它自身冷卻溫度不能過低的特殊要求。由于廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻對象是溫度較高的再循環(huán)廢氣，要求冷卻器在較小的換熱面積下實現(xiàn)大的熱量傳遞，而且必須盡可能提高廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻效率，同時還要適應發(fā)動機振動大的特點。此種工作條件下對冷卻器的要求是:(1)冷卻器要耐高溫、耐腐蝕;(2)體積小、散熱效率高、壓力損失小、能防堵塞。廢氣再

12、循環(huán)冷卻器換熱的對象是粘度比較低的水和廢氣，對于低粘度流體-低粘度流體，高溫高壓場合用管殼式(STHE)換熱器。而且管殼式冷卻器結構簡單，體積小，造價低，散熱效率高，可以設計成各種尺寸及型式，對其操作溫度和壓力也沒有太多限制，可用任何能抗腐蝕的材料制造，所以它成為廢氣再循環(huán)冷卻器的基本形式，必要時可以在殼體內加裝紊流裝置以提高熱交換效率。為滿足耐高溫、耐腐蝕要求，全部零部件均選用304, 304L, 306, 306L及316L不銹鋼精密鑄件及型材。國外公司制造的兩種廢氣再循環(huán)冷卻器圖德國2-2管殼式冷卻器, 圖2-3是日本五十鈴載貨汽車冷卻器。 圖2-2德國管殼式冷卻器 圖2-3日本五十鈴載

13、貨冷卻器2.2.1.1根據(jù)規(guī)格尺寸初選冷卻器(1)熱交換管熱交換直徑:廢氣再循環(huán)冷卻器中使用大量橫截面呈圓形的小直徑、薄壁管。從傳熱的角度來看，小管徑的管子能獲得較高的傳熱系數(shù)，從而換熱器也較緊湊，但是管徑愈小的換熱器的壓降將愈大，幾乎所有的換熱器的管子外徑在1/4in(6.35mm)與2in（50.8mm)之間。這里管子外徑選擇1Omm，壁厚lmm。管長:由于無相變換熱時，管子較長則傳熱系數(shù)也增加，在相同的傳熱面積情況下，采用長管則流動截面積小，流速大，管程數(shù)小，而且采用長管時每平方米傳熱面的比價也低，所以對于一定的換熱面積，最經(jīng)濟的換熱器是用殼體直徑盡可能小，管子盡可能長，并與制造或使用現(xiàn)

14、場的空間相符合的原則制造，這里預選250mm長的換熱管。管子根數(shù):管子根數(shù)取決于流體流量和允許的壓降，通常要使得管側水或類似流體的流速為3-8ft/s(0.9-2.4m/s)，殼側流速為2-5ft/s(0.6-1.5m/s)。最低流速是為了防止結垢，最高流速是為了避免管側腐蝕、對殼側的撞擊和流動誘發(fā)振動。由經(jīng)驗，換熱管數(shù)初選19根。(2)管子排列方式管子布局:管子在管板上的排列型式主要有正方形、三角形和同心圓排列。同心圓排列較緊湊，主要用于小直徑的換熱器，在換熱直徑較小時，可安排的換熱管數(shù)也最多，而且在靠近殼體的地方布管均勻，介質不易走短路，所以選用了同心圓排列法。換熱管排列方式如圖2-4所示

15、。無論哪種排列方法，通常其最外圈換熱管的外壁與殼體內壁間的距離不應小于換熱管外徑1/4，且不小于8-1Omm。這里初步選8mm。如圖2-4換熱管排列方式管心距:管心距的確定要兼顧提高殼側傳熱的傳熱面的緊湊性，較大的管心距可以降低殼側壓降，并能減少結垢，易于清洗。大部分的管殼式換熱器中，管心距至少為管外徑的1.25倍。由前面所選參數(shù)，這里管心距為12.5mm。(3)冷卻器的流動方式采用冷熱流體逆流的方式，如圖2-5(a)，即在換熱器中，兩股流體平行流動，但方向相反。理想情況下，單流道的這種流動方式的換熱器在相同參數(shù)時效率最高。在同一個熱流體狀態(tài)和同一個初溫的冷流體下，采用逆流可比順流加熱到更高的

16、終溫，交換相同的熱量時，采用逆流的換熱器所需要的換熱面積就較小，而使換熱器緊湊輕便。如圖2-5(a)流體在管中的流動方式（a）逆流式（b）順流式（c）差流式以選型的標準是如何確定的2.2.2冷卻系的設計計算采用平均-溫差法, 在設計計算時需要的參數(shù)主要是冷熱流體的進、出口溫度。確定換熱器達到所要求的冷卻需要多大的傳熱面積，并計算阻力損失。2.2.2.1廢氣最大需冷卻量的確定汽油機排氣溫度變化范圍很大，從怠速時的300-400到全負荷時的900，常用工況的排氣溫度為400-600。對于試驗用的卡羅拉1-ZR發(fā)動機，廢氣再循環(huán)熱流量最大點出現(xiàn)在標定轉速2500r/min工況下，廢氣再循環(huán)流量為0.

17、039kg/s、溫度為403、熱流量為7000W.2.2.2.2確定冷卻器的平均溫差首先確定廢氣再循環(huán)氣體冷卻后的溫度。國外某公司對廢氣再循環(huán)流量為20-8Okg/h的發(fā)動機廢氣再循環(huán)冷卻后溫度要求為160-200。對整個傳熱面積上的平均溫差tm，可用下式計算:（2-1）（2-2）注意，校正因子F通常選用一個估算值，單管程純逆流換熱器F=1.0。最后計算得整個傳熱面積上的平均溫差tm=103.4。2.2.2.3管程傳熱系數(shù)的確定為了能夠及時清洗以減少排氣對冷卻器的污染，應布置管程流體為廢氣再循環(huán)氣體。廢氣再循環(huán)氣體在換熱管中流動的雷諾數(shù)為: Ref=Vedipe/nf(2-3)式中Ve-廢氣再

18、循環(huán)氣體在換熱管中的流速; di-換熱管內徑; Pe-廢氣再循環(huán)氣體在平均溫度，平均壓力下的密度; nf-廢氣再循環(huán)氣體在平均溫度，平均壓力下的動力粘度。當Re<2200時，流體始終處于層流狀態(tài);當Re>10000時，出現(xiàn)穩(wěn)定的湍流:當2200<Re<10000時，流體處于過渡狀態(tài)。計算過渡狀態(tài)換熱系數(shù)Nuf:（2-4）計算湍流狀態(tài)換熱系數(shù)Nuf:（2-5）對于短管，由上式算得的換熱系數(shù)需再乘以管長修正系數(shù)l:l=1+(di/L)2/3 (2-6) 式中Nuf-努賽爾數(shù)； Pr普朗特數(shù); L換熱管管長; nf和nw平均穩(wěn)定的動力粘度和壁溫下的動力粘度;由于管內流體為氣體

19、，(nf/nw)0。140.0。由公式Nu=hidi/得出管內換熱系數(shù)hi(為廢氣再循環(huán)氣體的導熱系數(shù))。2.2.2.4殼程傳熱系數(shù)的確定冷卻器殼程采用單程，無折流板的流通換熱形式。冷卻水沿管束縱向流過，流道分為兩個區(qū)域:管束包絡線內為管束間流道，管束包絡線與殼體內壁間為間隙流道。殼程的傳熱系數(shù)可由下式計算得出:（2-7）2.2.2.5總傳熱系數(shù)和換熱面積的確定初步計算中由于K很難確定。 Bell給出了不同種類的流體的大概的傳熱膜系數(shù)。這樣，K可以通過管側和殼側的傳熱膜系數(shù)由以下公式算出:（2-8）對發(fā)動機排氣和發(fā)動機循環(huán)水，取Ri=Ro=0.0002。由于換熱管的導熱熱阻與其他兩項熱阻相比非

20、常小，計算時可忽略不計。由方程式:(2-9)計算出傳熱面積，再由此計算出殼體尺寸和換熱管的長度進行校核。2.2.2.6管程、殼程的壓力損失計算對于無折流板的光管管束，流體順管束流動，管側流體壓力損失PT：（2-10）式中PT流體在管內流過產(chǎn)生摩擦而造成的壓力損失：（2-11）：流體進出管子及管程間轉彎而產(chǎn)生的局部壓力損失；（2-12）：流體進出冷卻器箱體引起的壓力損失；（2-13）Gt為管內廢氣再循環(huán)氣體的質量流速;Z為管程數(shù);( Gf/Gw)項是考慮流體為非等溫流動，若為等溫流動，則該項為1;GN為廢氣再循環(huán)進出接管中的質量流速; 為管內結垢修正系數(shù)。由于管內廢氣再循環(huán)氣體Ref>20

21、00，對于控制光管，摩擦阻力系數(shù)ft=0.0014+0.125Re-0.32f。按理說上述設計和反復計算校核，得出冷卻器的尺寸。另外在冷卻器的兩個氣體入口處分別設置了過渡錐形管，使流過靠外面的換熱管廢氣量增多，改善廢氣流動狀態(tài)。表2-1卡羅拉1GR發(fā)動機冷卻器基本結構參數(shù)，及冷卻器的結構圖（2-7、8）：表2-1卡羅拉1GR發(fā)動機冷卻器基本結構參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)內容參數(shù)名稱參數(shù)內容結構形式管殼式最大換熱量6500W殼程流體冷卻水傳熱面積0153平方米管程流體高溫氣體換熱管長度250mm殼程流動形式單程管程阻力1500Pa管程流動形式單程殼程阻力7 Pa熱管（外徑×壁厚）10mm

22、5;1mm換熱管排列形式圓形錯排殼體（外徑×壁厚）70mm×1mm管根數(shù)19圖2-7冷卻器的結構1冷卻水入口2冷卻水出口3換熱管4錐形管5廢氣入口6排水閥7廢氣出口圖2-8冷卻器實物2.3冷卻系的水泵的選型計算2.3.1冷卻水循環(huán)量的計算先要確定廢氣再循環(huán)對冷卻系統(tǒng)所要求的散熱量。根據(jù)熱平衡的熱量分配，散冷卻系統(tǒng)中的熱量應當冷卻系介質散走。因此可以由廢氣再循環(huán)廢氣散入冷卻系統(tǒng)中熱量來確定所需要的循環(huán)量。由散入廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的熱量Qw，可以算出所需冷卻水的循環(huán)量Vw：（2-14）式中-一冷卻水在發(fā)動機中循環(huán)時的容許溫升，對強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可取tw=6-120，這里取t

23、w為10;-水的比重，近似取=1 OOOkg/m3；-水的比熱，近似取 =4.187KJ/Kg冷卻水循環(huán)量：；水泵的泵水量Vb可根據(jù)冷卻水循環(huán)量Vw按下式計算;（2-15）式中 Vw-冷卻水循環(huán)量nvs-水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄漏，一般nvs=0.80.9。這里需選用制選精度較高的水泵，nvs取為0.9，所以水泵的泵水量Vb=0.000167/0.9=1.85×10-4m3/s。2.3.2水泵電機消耗功率計算水泵消耗功率的計算公式如下:（2-16）式中Pp-水泵的泵水壓力，根據(jù)離心式水泵結構取值3.0×105Pa;vb-水泵的泵水量(m3/s);nh-液力效

24、率，根據(jù)結構取0.75;nm-水泵的機械效率，根據(jù)結構取0.95;nv-水泵的容積效率，取0.75;得水泵消耗功率：3.實驗研究與分析3.1實驗原理針對實驗室里的發(fā)動機,測試發(fā)動機不同工況下Nox排放量隨廢氣再循環(huán)溫度變化的變化規(guī)律。通過比較找出各種工況下廢氣再循環(huán)廢氣的最佳溫度范圍，為發(fā)動機工作電控單元實時控制廢氣再循環(huán)溫度提供依據(jù)。為了進行廢氣再循環(huán)溫度對汽油機性能和排放影響的研究，在一臺4缸16氣門四沖程汽油機上加裝了廢氣再循環(huán)裝置。試驗裝置布置如圖3-1所示。試驗裝置布置如圖3-1所示冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)從發(fā)動機排氣管消音器前方取氣。從排氣管中引出的廢氣經(jīng)過專門的冷卻器和廢氣再循環(huán)閥后從

25、節(jié)氣門的后方導入進氣管，利用發(fā)動機活塞排氣過程泵氣作用，將廢氣泵入發(fā)動機進氣管。然后與節(jié)氣門后的空氣混合，在進氣口附近與噴入的油霧進一步混合后形成可燃混合氣進入氣缸。系統(tǒng)中廢氣再循環(huán)閥安裝在冷卻器后方，一方面廢氣經(jīng)過冷卻后溫度大大降低，減少了高溫對廢氣再循環(huán)閥的影響;另一方面控制閥距離排氣管較遠，減少振動和排氣脈沖對廢氣再循環(huán)閥的影響，使廢氣較平穩(wěn)地進入進氣通道。廢氣再循環(huán)量采用手動調節(jié)閥來控制，以便于在各工況點進行測試。在再循環(huán)廢氣通路上設置一個冷卻水套，為降低流動阻力，采用廢氣再循環(huán)冷卻器管內走廢氣再循環(huán)氣體，管外走冷卻液的方案。冷卻介質采用水，冷卻水與廢氣再循環(huán)氣體流向相反以提高冷卻能力

26、。3.2實驗用發(fā)動機及測試設備3.2.1實驗用發(fā)動機該試驗采用的發(fā)動機是一汽制造廠生產(chǎn)的卡羅拉1ZR型電噴式汽油機，該汽油機的主要性能參數(shù)如表3-1所示。如表3-1所示燃油箱容積55L燃料類型汽油 93#供油方式多點電噴型號1ZRFE排量1598mL最大功率-功率值90kW最大功率-轉速6000r/min(rpm)最大扭矩-扭矩值154Nm 最大扭矩轉速5200r/min(rpm)氣缸排列型式L型發(fā)動機位置前置進氣型式自然吸氣凸輪軸雙頂置凸輪（DOHC）特有技術Dual VVTi汽缸數(shù)4個每缸氣門數(shù)4個缸徑80.5mm行程78.5mm壓縮比10.2:1缸體材料鋁合金環(huán)保標準國4最大馬力122P

27、s3.2.2實驗用測試設備3.2.2.1采用尾氣分析儀 采用FGA-4000系列五組份汽車排氣分析儀。它的測量原理是:采用不分光紅外吸收法,簡稱("NDIR")測定CO及CO2的排放濃度。氧及氮氧化物分析采用電化學原理。HC采用加熱型火焰離子檢測法(HFID)來檢測。其它技術參數(shù)如表3-2所示。技術參數(shù)如表3-2所示3.2.2.2轉速表使用上海轉速儀表廠生產(chǎn)的機械式轉速表。3.2.2.3廢氣溫度計數(shù)字溫度計，測量范圍-500C-1300。用來測試廢氣再循環(huán)冷卻器前后的溫度。3.2.2.4水溫表熱敏電阻式水溫表3.2.2.5壓力表安裝在廢氣再循環(huán)廢氣入口處。測量范圍00.25

28、MPa，生產(chǎn)廠家青島華青集團有限公司。3.2.2.6空氣流量計熱膜式空氣流量計。3.2.3對數(shù)據(jù)進行分析3.2.3.1試驗過程在1ZR型汽油機上進行冷卻廢氣再循環(huán)試驗，鑒于廢氣再循環(huán)技術特點和使用要求以及試驗的條件因素，試驗測試選擇在不加負荷的1000r/min,1500r/min, 2000r/min,2500r/min, 3000r/min和部分負荷的1500r/min,2500r/min轉速工況下進行。試驗中也參考了一般汽油機廢氣再循環(huán)量的引入原則:1)怠速及低負荷時，混合氣較濃，廢氣中惰性氣體含量高，引入廢氣將會造成燃燒不穩(wěn)定，發(fā)動機很容易熄火，采用廢氣再循環(huán)的意義不大。2)隨著負荷的

29、增加，在保證動力性和燃油經(jīng)濟性的基礎上，使廢氣再循環(huán)率增加至允許限度。3)大負荷，高速及油門全開時，為了保證功率輸出，對廢氣再循環(huán)的使用應有一定限制。基本原則是在保證動力性和經(jīng)濟性的基礎上，盡可能采用較大比率的廢氣再循環(huán)最大限度地降低NOx排放。試驗采用恒轉速控制，節(jié)氣門位置保持不變，在測量原機NOx、排放時手動廢氣再循環(huán)閥門關閉，其它工況廢氣再循環(huán)閥開度至最大。汽油機總是以化學當量比附近或接近化學當量比的方式運行，因此廢氣中CO2和H2O的比例是比較高的，廢氣的熱容量也遠比空氣要高。因此，一般汽油機廢氣再循環(huán)量占總進氣量的520%，分層燃燒系統(tǒng)廢氣再循環(huán)率可以超過20%。過量的廢氣再循環(huán)會導

30、致點火困難，循環(huán)變動增加。經(jīng)測試計算，該系統(tǒng)廢氣再循環(huán)閥開到最大時廢氣再循環(huán)率能達到11%。試驗時廢氣分析儀的取氣管插入發(fā)動機排氣管40cm處，廢氣分析儀盡量遠離排氣管，避免排氣管的振動和溫度對測量的影響。為了提高效率，縮短測量數(shù)據(jù)的獲取時間，廢氣再循環(huán)冷卻水直接取自自來水，從冷卻器出口流出的水直接排掉。人為改變廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻水的循環(huán)量，從而改變廢氣再循環(huán)廢氣的溫度，測試該轉速由高到低溫度下NOx、的排放情況。試驗中廢氣再循環(huán)廢氣冷卻后的最低溫度控制在100以上，防止廢氣中的含硫化合物與因溫度降低而凝結的水蒸氣反應造成對設備的腐蝕。試驗時環(huán)境溫度是20，相對濕度為35%。發(fā)動機運行10分

31、鐘后開始測試。由于汽油燃燒時 NO2生成量在NOx中占的比例很小，NOx/NO只有2%5%，所以試驗中NOx的排放濃度僅以測量NO的排放濃度來代表。3.2.3.2試驗結果分析發(fā)動機空載時不同轉速下具體的測試數(shù)據(jù)圖3-914圖3-9 1000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-10 1000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-11 1500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-12 2000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-13 2500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-14 3000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放柱狀圖中

32、最后一項是發(fā)動機不加廢氣再循環(huán)時的測試結果，由圖可以看出，在加裝廢氣再循環(huán)后每種轉速下的NO排放量都有所降低，由于未加負荷，發(fā)動機廢氣再循環(huán)廢氣冷卻前的溫度不是太高，隨著廢氣再循環(huán)溫度的降低，在發(fā)動機1000r/min時NO排放量有所波動，冷卻與否對NO的排放沒有太大的影響。CO的排放量反而有所上升，HC量排放也略有上升。這時發(fā)動機轉速較低，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)有可能影響到了燃燒的穩(wěn)定性。在1500r/min時，隨溫度變化，NO的排放也出現(xiàn)微小波動，廢氣再循環(huán)溫度最低110時，NO的排放并不是最低。轉速從2000r/min到3000r/min時，整個排放過程NO的排放量基本上是隨廢氣溫度的降低而呈降

33、低趨勢，而且都要比未加廢氣再循環(huán)時的排放量少。CO的排放量呈現(xiàn)先增后降的趨勢，但是較原機卻都不同程度的有所增加。各個轉速對HC排放的影響比較小，但加了廢氣再循環(huán)，排放量較原機有微弱的增加。圖3-15圖3-16給出了該發(fā)動機在部分負荷，2500r/min和3000r/min時NO, CO, HC隨廢氣再循環(huán)溫度變化的排放情況。在部分負荷下，廢氣再循環(huán)冷卻后NO的排放量較未加廢氣再循環(huán)的原機有了更顯著的減少，1500r/min時NO排放量在廢氣再循環(huán)溫度120時較160有月顯降低;在2500r/min時低溫120與160相比NO排放差別很小。兩種轉速下CO的排放變化不大，廢氣再循環(huán)溫度較低時略有增

34、加。HC的排放總體與前面一致，廢氣再循環(huán)溫度低時HC的排放量反而要高一些。綜合試驗和經(jīng)驗，得到1ZR汽油機廢氣再循環(huán)溫度控制的初步規(guī)律。如表3-3所示。圖3-15 2500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放圖3-16 3000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機的排放表3-3 1ZR汽油機部分工況廢氣再循環(huán)冷卻規(guī)律在發(fā)動機冷卻水溫小于50、發(fā)動機轉速小于550r/min，及怠速工況(節(jié)氣門踏板未踏下)時不對廢氣再循環(huán)廢氣進行冷卻。4.廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設計4.1冷卻系統(tǒng)的控制方法對于廢氣再循環(huán)的控制，理論上有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。開環(huán)控制是基于MAP(前饋控制)的控制方法，需

35、事先測得各工況下的最佳廢氣再循環(huán)率和廢氣再循環(huán)溫度，在瞬態(tài)時效果比較好。閉環(huán)屬于反饋控制，它在實時控制方面要優(yōu)于開環(huán)控制，但控制電路結構比較復雜，實現(xiàn)起來難度也加大。隨著現(xiàn)代控制理論發(fā)展的成熟，也有學者提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術對廢氣再循環(huán)流量控制進行訓練和優(yōu)化，有效克服傳統(tǒng)使用查表的方法對廢氣再循環(huán)開環(huán)控制的缺點。本文在宏觀上的控制策略是采用開環(huán)控制，而對具體執(zhí)行機構的控制采用PID(比例-積分-微分Proportional Int廢氣再循環(huán)al Derivative)控制。開環(huán)是主要控制方法，PID控制是輔助控制方法。1)開環(huán)控制通過試驗確定發(fā)動機不同工況下的廢氣再循環(huán)廢氣溫度

36、，作為參考，發(fā)動機實際運行時由電控單元ECU根據(jù)各傳感器的信號判斷發(fā)動機的工況與狀態(tài)，即根據(jù)發(fā)動機的轉速、節(jié)氣門位置等信號，ECU判斷屬于哪一種具體工況，然后ECU根據(jù)該工況的實測參數(shù)輸出控制信號控制廢氣再循環(huán)冷卻系伺服水泵轉速，從而控制冷卻水流量，達到控制廢氣再循環(huán)溫度的目的。它的作用是判斷發(fā)動機工況及設定該工況的廢氣再循環(huán)溫度，是主要控制方法。2)PID控制PID控制作為輔助控制主要完成對伺服水泵的實時控制。它的具體任務是根據(jù)ECU所設定的溫度值來控制水泵高速、低速旋轉或停止，改變冷卻水循環(huán)量，以達到所需的廢氣再循環(huán)廢氣溫度。4.2控制系統(tǒng)硬件組成4.2.1控制系統(tǒng)總體結構設計廢氣再循環(huán)冷

37、卻控制系統(tǒng)原理如圖所示。主要由控制單元ECU、傳感器和執(zhí)行部件組成。所有傳感器中曲軸位置傳感器輸出的信號經(jīng)整形后送給單片機的是脈沖量，采用定時計數(shù)的方法實現(xiàn)測頻，利用單片機的計數(shù)器在由軟件確定的時間內對脈沖信號計數(shù)，其頻率等于計數(shù)量除以計數(shù)時間。其它傳感器輸出的是模似電壓信號，單片機系統(tǒng)通過由它控制的多路開關分時選通各路傳感器模擬信號，程控放大器在單片機系統(tǒng)的控制下調節(jié)增益，使強弱不同的檢測信號在幅度上均滿足A了D轉換的要求，然后進行A/D轉換變成二進制數(shù)字量信號并輸入單片機系統(tǒng)。單片機處理后，把經(jīng)過光電隔離去除了電磁干擾的數(shù)字信號送給D/A轉換器進行D/A轉換，由于轉換后的電壓信號不足以直接

38、驅動水泵，所以對其進行功率驅動，最后再驅動水泵運轉。4.2.2傳感器的選擇控制系統(tǒng)中需要由傳感器來測試發(fā)動機各種參量，為ECU提供各種參量信號，主要傳感器包括曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動機冷卻液溫度傳感器、廢氣再循環(huán)溫度傳感器等。4.2.2.1曲軸位置傳感器曲軸位置傳感器測得的發(fā)動機轉速脈沖信號經(jīng)過整形后提供給ECU它是控制系統(tǒng)中非常重要的傳感器。曲軸位置傳感器分為磁脈沖式、光電式和霍爾式三大類。試驗選用磁脈沖式曲軸位置傳感器，安裝在發(fā)動機后端的飛輪旁。該傳感器由信號發(fā)生器、濾波電路、放大電路、整形電路和線束插頭等組成，如圖4-1所示。感應線圈在永磁鐵上帶有一個磁頭，磁頭與磁扼(導磁

39、板)連接而構成導磁回路。電容器C1, C2構成濾波電路，反相器F、集成運算放大器A和電阻R構成比例運算放大電路，P為信號處理電路。具體工作過程為:信號線圈產(chǎn)生的交變信號電壓經(jīng)濾波電路和比例放大電路放大后，再經(jīng)信號處理電路P進行整形處理，傳感器便可直接向電控單元輸入矩形脈沖信號。根據(jù)此信號ECU的微處理器可以計算出發(fā)動機的轉速。磁感應式曲軸位置傳感器的示意圖如圖4-1所示，轉速信號處理過程如圖4-2所示。圖4-1 磁感應式曲軸位置傳感器的示意圖如圖4-2 轉速信號處理過程4.2.2.2節(jié)氣門位置傳感器節(jié)門位置傳感器提供發(fā)動機怠速信號與發(fā)動機負荷信號。當發(fā)動機處于怠速工況不適宜進行廢氣再循環(huán)時，E

40、CU輸出控制信號，水泵停止轉動。ECU根據(jù)節(jié)氣門位置判斷發(fā)動機所處的負荷工況，為控制水泵轉速提供依據(jù)。節(jié)氣門位置傳感器裝在節(jié)氣門體上，并與節(jié)氣門軸連動，用來檢測節(jié)氣門開度的變化，將節(jié)氣門開啟的角度轉換成電壓信號。試驗中選用的是線性輸出型節(jié)氣門開度傳感器，具有較高的精度，供電電壓為5V，輸出電壓范圍是0+5 V。其內部是一個高性能的可變電阻的變阻器，輸出信號電壓隨節(jié)氣門開度的增加線性增大。它的特點是檢測及處理角度很方便;耐環(huán)境能力強;其內設有回位彈簧，與被測定部件容易連接。節(jié)氣門位置傳感器的特性與信號處理過程如圖4-3、圖4-4所示圖4-3 節(jié)氣門位置傳感器的特性 圖4-4 節(jié)氣門開度信號處理過

41、程4.2.2.3溫度傳感器(1)發(fā)動機冷卻液溫度傳感器發(fā)動機冷卻液溫度傳感器提供發(fā)動機溫度信號，在發(fā)動機溫度低于50時，發(fā)動機處于暖機狀態(tài)，不進行廢氣再循環(huán)，廢氣再循環(huán)冷卻水泵停止轉動。這里用于測水溫的傳感器采用的是負溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)，安裝在發(fā)動機的汽缸體上，插在汽缸的冷卻水套中。它的工作溫度范圍為-20+130。它把溫度的變化以電阻值變化的方式檢測出來，隨溫度的不同，電阻值發(fā)生很大變-化。當水溫較低時電阻值較大，隨著水溫的升高，電阻值逐漸降低。圖4-4 水溫傳感器的溫度-電阻特性 圖4-5水溫傳感器的連接線路傳感器阻值水溫變化圖4-4，連接線路如圖4-5所示。發(fā)動機工作時，控制系

42、統(tǒng)內部給傳感器一個5V電壓，當傳感器熱敏電阻的阻值變化時，傳感器向ECU輸送的信號電壓隨之變化，輸出電壓在0.1V一4.8V之間(2)廢氣再循環(huán)廢氣溫度傳感器分為兩個傳感器分別設置在廢氣再循環(huán)冷卻器的前后，為ECU控制電動水泵調節(jié)冷卻水流量提供反饋信號。一般工況下，廢氣再循環(huán)閥附近的廢氣溫度為100 -200;高速、重負荷為300-400;不工作時為50左右。而廢氣再循環(huán)冷卻器后的廢氣溫度最多可降至約100-，所以廢氣再循環(huán)冷卻器前后可選用相同測量范圍的溫度傳感器。全部采用熱敏電阻式溫度傳感器。廢氣溫度傳感器電阻與溫度變化關系如表4-1所示。表4-1傳感器電阻與溫度變化關系4.2.3 ECU電

43、控單元ECU主要由輸入信號處理電路、微處理器、輸出處理電路、電源回路以及控制程序等幾部分組成。4.2.3.1輸入信號處理電路輸入信號處理電路有模擬信號的輸入處理和數(shù)字信號的輸入處理，當輸入信號為模擬量時，如空氣流量計信號、溫度傳感器信號、節(jié)氣門開度傳感器信號、壓力傳感器信號等的模擬信號，先要對它進行A/D轉換，變成微處理器能處理的數(shù)字信號。如果輸入的模擬信號弱時，還需經(jīng)過放大。模擬信號處理的走向如圖4-6如圖4-6 模擬信號處理的走向4.2.3.2單片機的選型 單片機是控制系統(tǒng)的心臟，其機型是否合適，對系統(tǒng)的性能憂劣、構成繁簡、開發(fā)工作難易，推廣應用和交流范圍的寬窄等方面均有較大的影響。選擇單

44、片機首先應考慮的是單片機的功能和性能要能滿足應用系統(tǒng)的要求，同時應該追求系擴展的最小化，單片機硬件資源亦應得到較充分的利用?？梢园匆韵略瓌t作進一步的選擇； 1)優(yōu)先選擇熟悉的機型，同時兼顧單片機技術和市場的發(fā)展。_ 2)優(yōu)先選擇具有較好開發(fā)環(huán)境的單片機，降低開發(fā)工作的難度。 3)優(yōu)先選擇社會應用廣泛的主流機型，以便于推廣、交流和移植。 4)優(yōu)先選擇指令功能強、編程方便的機型MCS-51單片機是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有8031, 8051(芯片采用HMQS，功耗是630mW，是89C51的5倍，)和8751等通用產(chǎn)品。一直到現(xiàn)在，MCS-51內核系列兼容的單片機仍是應

45、用的主流產(chǎn)品。MCS-51系列單片機具有豐富的硬件資源、優(yōu)越的的開發(fā)環(huán)境、強大的指令功能和廣泛的相關支持，成為國內單片機市場的主流機型和眾多單片機應用系統(tǒng)設計者的首選機型。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案1) AT89C51主要特性AT89C51與MCS-15兼容，壽命是寫/擦循環(huán)1000次，數(shù)據(jù)保留時間10年，全靜態(tài)工作頻率是OHZ24HZ，可以三級程序存儲器鎖定，有128×8位內部RAM，不擴展存貯器即可滿足系統(tǒng)需要，可降低成本且提高系統(tǒng)抗干擾能力。32條可編程I/

46、O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，含有片內振蕩器和時鐘電路。2)管腳說明:雙列直插式封裝方式的AT89C51管腳排列如圖4-7所示(1)并行I/O口線P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8個TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫“1”時被定義為高阻輸入。PO能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，可作為通用陽口，它又可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位輸出，由于是分時輸出，故應在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號用ALE。在FLASH編程時，PO口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，PO輸出原碼，此時PO外部必須被拉高。P1口:Pl

47、口作為通用I/O口使用，是一個內部提供上拉電阻的8位雙I/O口，Pl口緩沖器能接收輸出4個TTL 圖4-7 AT89C51管腳排列門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高電平，可用作輸入，IP口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口:P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收、輸出4個TTl門電流，當P2口被寫1時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。當用于外部程序存儲器或61位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地

48、址1時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/0口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入1后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下4-2表所示:如下4-2表P3口一些特殊功能口(2)控制口線ALE/PROG:地址鎖存信號輸出端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在P0口輸出地址后，它便能和片外存儲器之

49、間傳送指令和數(shù)據(jù)信息。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6，因此它可用作系統(tǒng)中其它芯片的時鐘源。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVX指令時AEL才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期五PSEN兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN號將不出現(xiàn)。在訪問內部程序時PSEN無效。· /Vpp內部和外部程序存儲器選擇線。當保持低電平時，則在此期間訪

50、問外部程序存儲器(0O0H一FFFFH)，而不管是否有內部程序存儲器。當保持高電平時，當?shù)刂沸∮?KB時訪問內部程序存儲器，當?shù)刂反笥?KB時訪問外部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(Vpp)。RST:復位輸入。當振蕩器復位期間時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。(3)電源和時鐘線XTAL1:接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，腳作為驅動端這個放大器構成了內部振蕩器。當采用外部振蕩器時，此引驅動端。XATL2:接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮。Vc:供電電壓，

51、+5V GND:接地端。AT89C51的極限參數(shù)如表4-3。3)振蕩器特性采用石晶振蕩外部時鐘源驅動器件，XTAL2不接。由于輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。系統(tǒng)單片機的時鐘電路如圖4-8a所示，在XATL1、XTAL2引腳上外接石英晶體和微調電容組成并聯(lián)諧振回路，選用6MHz的晶振，對于32Hkz以上的晶體振蕩器，當工作電壓大于4.5V時，相位調節(jié)電容C1與增益調節(jié)電容C2應該都取為3OPf，C1=C230Pf。圖4-8(a)時鐘電路 圖4-8 (b)復位電路4)復位電路89C15通常采用上電自動復位和開關復位

52、兩種方式，本系統(tǒng)選用上電復位電路，復位電路路如圖4-8(b)所示，在RC電路的充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，RST端保持10ms以上的高電平，單片機可有效復位。4.2.3.3模擬多路開關的選型由于單片機的工作速度遠遠快于被測參數(shù)的變化，因此一個單片機系統(tǒng)可供多個檢測回路使用。由于系統(tǒng)中有5個被測參量，而單片機在某一時刻只能接收一個回路的信號，所以，必須通過多路模擬開關實現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。單片機系統(tǒng)通過由它控制的多路開關分時選通各路傳感器信號。目前，計算機控制系統(tǒng)使用的多路開關種類很多，并具有不同的功能和用途。這里選用8路雙向、單端模擬開關集成電路芯片CD4051

53、，所謂雙向，就是該芯片既可以實現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。CD4501的結構原理如圖4-9所示。它由電平轉換、譯碼驅動及開關電路三部分組成。當禁止端為“1”時，前后級通道斷開，即S0S7端與Sm端不可能接通;當為“0”，時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個通道S0S7中的一路。如表4-3真值表所示。圖4-9 CD4501的結構原理表4-3真值表所示多路開關中往往有多余的通道，由于多路開關的內部電路相互聯(lián)系，所以多余的通道可能產(chǎn)生干擾信號，必要時應作適當處理?？梢园阉卸嘤嗤ǖ赖妮斎攵硕冀拥?。4.2.3.4可編程增益放大

54、器的選型為便于輸入通道中A/D轉換所需電平，要對模擬傳感器輸出的弱信號加以放大，并把信號中的干擾噪聲抑制在最低限度，因而用低噪聲、低漂移、高增益、高輸入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。這類放大器常用的有測量放大器、可編程放大器和隔離放大器。在多輸入通道中，有時輸入同一個放大器的信號的電平不同，但都要放大到A/D變換器輸入要求的標準輸入電壓。因此，對應于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應不同。所以需要選用可編程放大器。這里選擇具有典型三運放結構的AD612/614，它的片內有精確的電阻網(wǎng)絡，使其增益可控。圖4-10為其結構原理圖圖4-10 AD612/614可編程增益放大器當3

55、-10端分別與1端相連時，增益范圍為“2-28”當要求增益為29時，10、11短接并與1端相連;當要求增益為210時，10、11、12短接并與1端相連;當要求增益為1時，電阻網(wǎng)絡引出端3-12端均不與此同時相連。因此，只要在1端和212端之間加一多路開關，就可以方便地進行增益控制。此外，在1、2端之間連接電阻RG也可改變增益。4.2.3.5采樣保持電路設計由于被測的模擬信號變化很快，在進行A/D轉換前，需要進行采樣保持工作。采樣保持器(S/H)采用LF398集成芯片。它是采用BI-FET(雙極型一場效應管)工藝制成的采樣保持器。整個電路可在士5V-士18V之間工作。其主要作用是保證A/D轉換器

56、進行轉換期間輸入電壓保持不變，以免引起A/D的轉換誤差。它有兩個工作模式，一是采樣，一是保持。根據(jù)采樣定理，只要最低采樣頻率高于信號最高頻率分量的2倍，即可得到不失真采樣。在采樣狀態(tài)時，其輸出能跟隨輸入電壓變化;而當處于保持狀態(tài)時，其輸出將保持在進入保持狀態(tài)瞬間的輸入電壓值。在保持時間內，A/D轉換器進行A/D轉換。連接如圖4-11。當邏輯參考端(7)接地，邏控制電壓(8)高于1.4V時，LF398處于采樣模式，邏輯控制端接地時，處于保持狀態(tài)。如圖4-11 LF398連接圖4.2.3.6 A/D轉換電路設計本系統(tǒng)的AID轉換器選用了ADC0809,ADC4809是逐位逼近式CMOS型A/D轉換器，通常都是以二進制數(shù)字量輸出的。ADC0809為28引腳雙列直插式封裝芯片。該芯片內部由8位模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器、控制與時序電路、三態(tài)輸出鎖存器等組成。下面是ADC0809的的主要性能技術指標和硬件接口電路設計1)主要性能和引腳功能分辨率為8位2進制數(shù);輸入電壓范圍是0-5V，對應A/D轉換值為OOH一FFH；每路A/D轉換完成時間為10us:允許輸入8路模擬電壓，通過具有鎖存功能的8路模擬開關，可分時進行8路A/D轉換；輸入時鐘脈沖頻率為500